地震中運行電梯對重脫軌原因探討*

崔健坤，林進(jìn)展，羅海軍

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 501655）

1 地震對電梯對重的影響

發(fā)生地震時，高層建筑會發(fā)生劇烈搖晃，這種搖晃會導(dǎo)致其中的電梯也發(fā)生搖擺。搖擺最初產(chǎn)生的力量主要集中在對重導(dǎo)靴和井道導(dǎo)軌的接觸點上。此時可能出現(xiàn)以下幾種狀況：

（1）如果導(dǎo)軌或?qū)к壷Ъ艿膹姸炔粔?，就會造成?dǎo)軌松動甚至脫落；

（2）如果導(dǎo)軌和支架的強度足夠，而對重導(dǎo)靴的強度不夠，就會造成對重導(dǎo)靴松動或脫落；

（3）如果導(dǎo)軌、導(dǎo)軌架、導(dǎo)靴的強度都夠，則力量會進(jìn)一步傳遞到對重上，當(dāng)對重上的強度不夠或減震性能不好時，則會造成對重的變形或損壞（圖1所示）。

上述幾種方式中無論哪一種方式，輕則會加劇對重的搖擺，使對重撞擊周圍的固定部件，如對重撞擊對重護(hù)欄；重則使對重由沿導(dǎo)軌的定向運動變成無規(guī)則的自由運動，進(jìn)而發(fā)生對重和轎廂相互撞擊，造成更嚴(yán)重的后果。

2 對重脫軌是造成電梯嚴(yán)重受損的主要因素

圖1 對重脫軌事故現(xiàn)場

大地震經(jīng)常會造成很多電梯發(fā)生故障，電梯在地震時的一些問題已經(jīng)暴露了出來，經(jīng)常發(fā)生以下故障：

（1）井道壁因受地震影響產(chǎn)生不同程度的裂紋；

（2）受脫軌的對重撞擊造成部分電梯導(dǎo)軌或支架變形、支架松動、轎頂護(hù)欄損壞，轎廂嚴(yán)重變形；

（3）對重框架脫離對重導(dǎo)軌造成電梯損壞（以下簡稱對重脫軌）。

根據(jù)以往相關(guān)資料顯示：1971年的洛杉機地震，7000臺損壞電梯就有700臺電梯的對重架脫離導(dǎo)軌；1978年日本宮城縣的海上地震，電梯的對重架脫離導(dǎo)軌的有183例；臺灣1999年9.21和10.22兩次大地震后電梯對重架脫離導(dǎo)軌造成損壞占總損壞數(shù)的百分比分別為40.2%和66.3%。

通過以上統(tǒng)計，總結(jié)得出：在地震中，對重框架脫離對重導(dǎo)軌造成電梯損壞的形式所占的百分比較大，為了減少在今后的地震災(zāi)害中發(fā)生對重脫軌的危害，本文主要從改進(jìn)機械方面闡述一些防止對重脫軌的預(yù)防和保護(hù)措施。

3 對重脫軌的原因及解決方法

在發(fā)生地震時，地震能量主要以一個巨大機械能量的形式釋放，因而電梯的抗地震能力和電梯機械強度有關(guān)。同時，由于地震力是一個短時間巨大能量的釋放，單純用提高機械強度的辦法去抗衡不一定會有最佳效果，因而在考慮適當(dāng)提高機械強度的同時，還要考慮增加一些能量緩沖裝置。以下主要從改進(jìn)機械方向論述如何提高電梯的抗震能力。

3.1 提高對重導(dǎo)靴的抗震性能

在地震中受損的電梯中，發(fā)現(xiàn)對重導(dǎo)靴脫軌現(xiàn)象非常普遍，而轎廂導(dǎo)靴卻很少有脫軌現(xiàn)象。實際上在用的中低速電梯中，通常是在轎廂側(cè)使用彈性滑動導(dǎo)靴，在對重側(cè)使用固定滑動導(dǎo)靴。固定滑動導(dǎo)靴的靴頭是固定的，由于靴頭固定不能補償軌道的誤差，在安裝時要與導(dǎo)軌間留一定的活動間隙，故在電梯運行中，尤其是靴襯磨損較大時會產(chǎn)生一定的晃動，當(dāng)遇到較強的地震時容易發(fā)生損壞和脫軌。

對重是通過導(dǎo)靴和導(dǎo)軌連接的，導(dǎo)靴的抗震性能不好，會使這個連接點首先受到破壞。因此，應(yīng)適當(dāng)增強導(dǎo)靴的剛性強度和對振動的緩沖性能。導(dǎo)靴的緩沖性來源于導(dǎo)靴前部的彈性裝置，而導(dǎo)靴的剛性強度則取決于支持彈性裝置的后部剛性部分。由于導(dǎo)靴前部的彈性裝置可吸收部分振動能量，當(dāng)振動通過導(dǎo)靴的彈性部件傳到導(dǎo)靴的剛性部件上時，其力量會得到一定衰減，因而彈性導(dǎo)靴的剛性部件可承受比自己強度更大的力。而剛性導(dǎo)靴則不然，即使剛性導(dǎo)靴的強度很好，一旦所承受的力超過自己剛性部件所能承受的強度，就會發(fā)生損壞。因此，為了提高電梯導(dǎo)靴的抗震性能，最好使用彈性導(dǎo)靴。

彈性滑動導(dǎo)靴（圖2所示）由靴座、靴頭、靴襯、靴軸、彈性元件和調(diào)節(jié)螺母等組成[1]。與固定滑動導(dǎo)靴不同的是，其靴頭和靴襯在靴軸方向有一定的伸縮彈性，在工作時靴襯由于彈性元件的壓力始終頂在導(dǎo)軌的頂面上，因而可以吸收一定的振動。雖然彈性滑動導(dǎo)靴有一定的減震效果，導(dǎo)靴和軌道間的間隙也較小，但它對軌道的夾持力也較低，因為按滑動摩擦阻力的計算公式F=μN(μ為動摩擦因數(shù))，導(dǎo)靴對軌道的夾持力(即正壓力N)越大其運動阻力越大，而且目前廣泛使用的彈性滑動導(dǎo)靴在側(cè)面彈性較差，其夾持力比正面更低。目前電梯使用的導(dǎo)靴中，也采用了很多彈性導(dǎo)靴，但這些彈性導(dǎo)靴結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的是為了彌補井道和導(dǎo)軌制造和安裝的誤差，提高電梯運行的平穩(wěn)性，而在抗震性能方面考慮得并不是很充分，其抗震性能存在一定缺陷[3]。

在地震發(fā)生時，轎廂和對重的擺動方向是隨機的，任何一個方向的擺動都有可能發(fā)生，目前使用的這種導(dǎo)靴，就很有可能因側(cè)面擺動太大而使轎廂或?qū)χ孛撾x軌道，造成較大的安全事故。因此，為了使電梯導(dǎo)靴有很好的抗震性能，其三個工作面都要保證有很好的緩沖性和強度。而彈性滾動導(dǎo)靴（圖3所示）則不一樣，彈性滾動導(dǎo)靴恰恰要求導(dǎo)靴對軌道有較好的夾持力，因為如果夾持力太小，滾輪容易在導(dǎo)軌上打滑，而且彈性滾動導(dǎo)靴在軌道的3個工作面上皆有很好的彈性力和夾持力，既能減震又不易滑落。因此在抗震性能方面，彈性滾動導(dǎo)靴要明顯好于另外兩種導(dǎo)靴，剛性滑動導(dǎo)靴抗震性能最差。從這三種導(dǎo)靴性能區(qū)別來看，就是發(fā)生地震時造成對重導(dǎo)靴脫軌的原因之一。

圖2 滑動導(dǎo)靴

圖3 滾動導(dǎo)靴

目前在高速電梯中，彈性滾動導(dǎo)靴用得較多，而在中速和中等偏高速的電梯中，彈性滑動導(dǎo)靴用得較多。建議今后在中等偏高速的電梯中，也盡量使用彈性滾動導(dǎo)靴，因為這些電梯所在的樓層偏高，地震時建筑物上部的擺動可能較大容易產(chǎn)生脫軌故障。在地震中，一般的對重架脫軌后與轎廂相撞，都是對重架在井道上部脫軌，然后從上往下撞擊轎廂的轎頂護(hù)欄等部件。因此，樓層越高，越要考慮使用彈性導(dǎo)靴以減少轎廂和對重在地震時脫軌的危險。

3.2 提高對重導(dǎo)軌的強度

由于目前電梯市場的激烈競爭，絕大多數(shù)電梯廠家都會將產(chǎn)品的對重側(cè)導(dǎo)軌設(shè)計成為空心導(dǎo)（圖4所示）軌，用來控制成本。而對重側(cè)的實心導(dǎo)軌（圖5所示）僅僅用于對重帶安全鉗的情況下。這種低成本的優(yōu)化配置也是導(dǎo)致對重在震中損壞或脫軌的一個主要因素。

圖4 空心導(dǎo)軌

圖5 實心導(dǎo)軌

對重架脫軌的故障主要是發(fā)生在空心導(dǎo)軌上?？招膶?dǎo)軌的薄弱環(huán)節(jié)并不在于它是空心的，因為從材料力學(xué)上講，越接近中間的材料，其對抗彎強度的影響越小?？招膶?dǎo)軌的真正薄弱環(huán)節(jié)，是在它的材料和制作方法上?？招膶?dǎo)軌一般是由板材經(jīng)冷態(tài)折彎而成，而要使板材在冷態(tài)下能被折彎，板材必須具有很好的塑性，同時，板材還不能太厚，否則在彎折時有可能產(chǎn)生裂紋[2]。正是這兩個原因，使得空心導(dǎo)軌的抗彎能力不可能很好。因而一旦發(fā)生較大強度的地震，空心導(dǎo)軌可能無法抗衡因?qū)χ丶軇×覕[動產(chǎn)生的較大作用力，最終導(dǎo)致了對重架脫軌?？招膶?dǎo)軌的另一個問題是其接頭部分的銜接不好。由于空心導(dǎo)軌是冷壓成型的，其工作面未經(jīng)精加工，形狀誤差較大，同時，又由于空心導(dǎo)軌是板材壓制的，不能對接頭部分作太多的磨削加工來進(jìn)行整形，否則會影響板材的強度。這就必然導(dǎo)致空心導(dǎo)軌接頭部分誤差相對較大，而這種誤差只能靠導(dǎo)靴的間隙來彌補，這就進(jìn)一步加重了對重導(dǎo)靴脫軌的可能性。

電梯軌道是固定在支架上的，如果支架的強度不夠，就可能造成支架不穩(wěn)，進(jìn)而會影響導(dǎo)軌的穩(wěn)定性。要提高支架的強度，除了使用強度較好的支架結(jié)構(gòu)外，還不能在支架的導(dǎo)軌連接板上開條形調(diào)節(jié)孔。這種條形調(diào)節(jié)孔雖然能方便地調(diào)整井道軌道的安裝偏差，但遇到地震等較強沖擊力時容易發(fā)生移位。軌道安裝偏差的調(diào)整最好用墊片進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，在其他情況相同的情況下，支架間距越小，導(dǎo)軌產(chǎn)生的變形越小，發(fā)生脫軌的可能性也越小。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對重導(dǎo)軌支架的間距一般不大于2.5 m，如果間距大于2.5 m應(yīng)當(dāng)有計算依據(jù)的規(guī)定，以及沒有安全鉗的對重導(dǎo)軌可使用成型金屬板材的規(guī)定，在地震時能否保證對重導(dǎo)軌系統(tǒng)的抗震要求，建議進(jìn)行安全論證。與此同時，對于地震多發(fā)地區(qū)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)局可以規(guī)定導(dǎo)軌支架安裝距離適度減小，用以增強導(dǎo)軌整體強度。

3.3 增加對重導(dǎo)靴嚙合深度或?qū)χ胤烂撥壯b置

提高地震中對重的防脫軌能力，還可以考慮增加滑動導(dǎo)靴的嚙合深度和增設(shè)防脫軌裝置。

滑動導(dǎo)靴嚙合深度的增加會增加滑動摩擦的阻力，導(dǎo)致能耗增加，而且導(dǎo)軌側(cè)工作面長度有限，嚙合深度的增加產(chǎn)生的效果也有限[2]。另一種更好的改進(jìn)方法是在轎廂和對重上增設(shè)防脫軌裝置。防脫軌裝置的結(jié)構(gòu)類似于導(dǎo)靴，但它在平常運行時并不與導(dǎo)軌接觸，兩者之間留有一定間隙，而一旦轎廂或?qū)χ厥艿捷^大沖擊力產(chǎn)生一定變形或位移時，防脫軌裝置就會和導(dǎo)軌接觸，起到穩(wěn)定對重，防止脫軌的作用。使用防脫軌裝置可以在不改變原有電梯和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加電梯的抗震性能，同時，防脫軌裝置由于平時不和導(dǎo)軌接觸，因而除可以在深度方向增加一定尺寸，還可以在高度上增加足夠的尺寸，這樣不僅可以增強防脫軌裝置的強度，而且可以使受力接觸面積增大、減小導(dǎo)軌的變形，因而對于防脫軌的效果好。

3.4 提高對重的柔性連接

彈性導(dǎo)靴通過其彈性部件吸收部分振動能量，剩下的振動能量通過其剛性部件傳給對重架。此時對重架和對重如果是剛性連接，則能量不會再衰減，而是全部由對重和對重架吸收，如此能量仍很大，則會對對重和對重架造成破壞。對重架和對重如果是柔性連接，則能量在對重架到對重的傳遞過程中會進(jìn)一步衰減，最終傳到對重的振動能量要小得多，造成的破壞性也小得多。在目前的電梯設(shè)計中，只有一部分電梯的對重架和對重的連接是柔性連接，而且同導(dǎo)靴一樣，這些設(shè)計的初衷并不是為了抗震，因而在抗震方面同樣具有明顯的缺陷。對重在水平方向的活動是受到嚴(yán)格限制的，其柔性也較差，一旦遇到強度足夠大的水平擺動力，對重就有可能在運動中撞擊固定部件甚至脫軌。因此，在以后電梯的抗震設(shè)計方面，除應(yīng)考慮適當(dāng)增強對重和對重架強度，還要考慮在對重和對重架水平方向增加一些柔性連接以作抗震緩沖之用。從抗震的效果上看，對重和對重架之間的緩沖比導(dǎo)靴上的緩沖更重要，因為對重和對重架的重量大，接觸面也大，所消耗的振動能量也更大。對重和對重架之間的柔性加上導(dǎo)靴的柔性再加上鋼絲繩繩頭的柔性，可使電梯獲得一個整體柔性，其抗震性能會比只有局部柔性的電梯好得多。

電梯的柔性連接大致可以通過3種方式實現(xiàn)：機械彈簧裝置、液壓裝置、橡膠墊[3]。這3種方式中，液壓裝置的緩沖效果最好，它不僅具有很好的緩沖作用，而且能通過能量轉(zhuǎn)換方式將機械能變成熱能，將振動能量消耗掉，具有明顯的衰減振動的作用。而彈簧裝置本身不能消耗能量，但它可以儲存能量，因而可以緩解振動時的波峰，再通過其他方式(如運動部件的摩擦)逐漸將能量消耗掉。如果條件許可，當(dāng)首先考慮液壓減振，但有時為了節(jié)省成本，以及由于空間的限制而不能用液壓減振時，也可考慮用彈簧或橡膠墊減振，但要保證一定最低的減振安全要求。

4 結(jié)束語

在地震中，電梯對重脫軌很容易受損，進(jìn)而引發(fā)次生災(zāi)害。出于提高在用電梯的抗震能力，減少地震災(zāi)害中發(fā)生對重脫軌的可能性的目的，本文針對地震中電梯運行致使對重脫軌的現(xiàn)象，從對重導(dǎo)靴類型的選型、對重導(dǎo)軌強度、對重導(dǎo)靴嚙合深度與加裝防脫軌裝置、對重的柔性連接四個方面針對防止地震中對重脫軌的影響進(jìn)行了分析論證，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和方法。

［1］段曉明.地震中電梯對重脫軌原因淺析［J］.中國電梯，2008，19（21）：15-16.

［2］張傳基，趙忠國.轎廂和對重預(yù)防地震脫軌的措施及自動保護(hù)［J］.中國電梯，2008，19（21）：11-14.

［3］張傳基.提高電梯抗震能力的基本措施［J］.中國電梯，2008，19（18）：44-45.